城市垃圾处理技术应用与发展
摘要：本文通过对我国城市垃圾无害化、减量化和再资源化处理技术进行了阐述。对比分析可知，水泥厂处理城市垃圾是今后我国应大力推广的有效方法之一。
关键词：填埋、堆肥、焚烧、热解
随着我国城市化进程的发展和人口水平的提高，城市垃圾产生量越来越多，近年来增长率达到5％～8％。2001年，城市生活垃圾达到1.35亿吨。城市历年来垃圾堆存量高达66亿吨，侵占35亿多平方米的土地。全国660个城市中已有200多个城市陷入垃圾包围之中。如何妥善处理城市垃圾，实现垃圾的无害化、减量化和再资源化，已成为世界各国面临的重大问题。
垃圾污染矛盾的爆发是在20世纪50～60年代。60年代中期以后，逐渐形成了填埋、焚烧、堆肥等一系列的处置方法。对垃圾处理方法的应用不仅与垃圾成分有关，而且还取决于技术经济水平等因素。从垃圾成分来看，有机物含量高的垃圾，宜采用焚烧法；无机物含量高的垃圾，宜采用填埋法；可降解的有机物多宜采用堆肥法；但不同国家国情不同，处理方法也有差异；如美国国土面积大主要采用填埋法处理垃圾，因填埋法较焚烧法便宜；而日本、瑞士、荷兰、瑞典、丹麦等土地资源少技术经济实力较强的国家，则大多采用焚烧法处理垃圾。在我国考虑到土地资源有限，城市人口不断膨胀的现实。采用焚烧法来处理城市垃圾的比例将逐年增大。但焚烧后仍有30％左右无机渣未能进行有效处理，其对环境将会产生较大的负面影响。目前，世界各国对城市垃圾处理方法主要有：
一、垃圾填埋法
填埋处理是城市生活垃圾最基本的处理方法。它是将垃圾埋入地下，通过微生物长期的分解作用，使之分解成无害的化合物。它分为简易填埋、卫生填埋、压缩填埋、破碎填埋四种方法。卫生填埋是各国应用的最普通的方法，其工艺流程见图一。
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图1.生活垃圾填埋作业流程图
垃圾填埋场垃圾有垃圾车或压实机压实。既提高场地利用率，又减少了雨水对垃圾的冲刷。现代化大型垃圾卫生填埋场多采用单元填埋法，对垃圾应逐层压实和每日覆盖。
填埋垃圾经微生物的好氧分解和厌氧分解产生大量填埋沼气，其成分主要有：CH4、CO2、NH3、H2S等，其中CH4、CO2占绝大多数。由于气体扩散，当甲烷浓度达到5％～15％，在有氧条件下可能发生爆炸；CO2易溶于水，不仅会导致地下水PH值降低，而且会使地下水的硬度及矿物质增加；此外，植物由于受根部积聚的CO2和甲烷的影响，因缺氧而危害其生长。因此，必须对填埋场产生的气体加以收集控制，排除烧掉，或作为能源加以回收利用。通常采取的方法有：⑴通过石笼等形式将填埋沼气到排；⑵进石笼和收集灌将沼气导排并使安全燃烧；⑶经管网系统收集净化作能源回收利用。
填埋场另一关键是渗透液引起的二次污染问题。垃圾经微生物分解和地表水的影响会产生一定数量的渗透液。其是一种高浓度有机废水，它会穿透周围地层，对饮用水造成污染。因此，在垃圾填埋场应采取特殊措施保护地下水，常用方法有：（1）、设置防渗衬里；（2）设置导流渠或导流坝；（3）选择合适的覆盖材料。
由于早期垃圾填埋未控制其对地下水及周围大气污染，造成严重的后果。目前，美国每年要动用百亿美元来清理过去的填埋物，以消除污染。现今，垃圾产量大增，成份更加复杂，对环境造成污染的可能性大大增加。所以人们对垃圾填埋场的环境影响越来越重视，垃圾填埋场操作运行管理越来越严格。
2、堆肥法
堆肥工艺是一种古老的有机固体废物的生物处理技术。早在化肥广泛使用于农业之前，堆肥一直是农业肥料的来源。该法是使垃圾粪便中的有机物，在微生物作用下，进行生物化学反应，最后形成一种类似腐殖质土壤的物质，用作肥料或改良土壤。根据堆肥原理，可分为厌氧法和好氧法两种。厌氧分解需在严格缺氧条件下进行，厌氧微生物分解生长较慢，故应用不多。但作为一种可持续发展的垃圾处理方法，这种处理方法预计会大幅度增加。现在，厌氧法已经在越来越多国家的垃圾处理中扮演重要角色。好氧分解过程可同时产生高温，可杀灭病虫卵、细菌等。我国主要采用好氧分解法。其工艺流程如图2.
堆肥技术工艺比较简单，适合于易腐有机质含量较高的垃圾处理，可对垃圾中的部分组分进行资源利用，且处理成本较低。堆肥技术在欧美起步较早，目前已经达到工业化的应用水平。如：1933年，丹麦的Dano堆肥化方法，标志着机械化堆肥工艺的开端；1939年，EarpThomas发明的立式多段发酵塔标志堆肥技术已经初步形成了现代化生产方式和规模。近年来，堆肥处理逐渐呈上升趋势。
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图2.堆肥法生产工艺流程图
英国政府正在大范围推广该项目。采用各种措施实现垃圾的回收利用。目前，已有33％的垃圾用于堆肥。现在，欧美发达国家把垃圾堆肥也看成可降解有机物的再生利用。垃圾的再生利用是垃圾减量和垃圾资源化的最佳途径。
3、焚烧法
焚烧法处理城市垃圾，可以使垃圾减重、减容，并可使某些有害成份分解和去除，是较理想的处理方法。但因该法对垃圾热值要求较高，设备投资大，运行成本高，焚烧中会产生二次污染等原因。该法多集中在发达国家。如：日本焚烧法处理量约占75％、德国和法国占30～50％。瑞士也以焚烧法为主。焚烧法工艺如图3所示：
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图3：垃圾焚烧工艺流程图
焚烧法处理垃圾已有上百年历史，但出现有控制的焚烧（烟气处理、余热利用、灰渣综合利用）只是近来出现的事。与填埋法相比，具有占地小、场地易选择、处理时间短、减量化显著、无害化较彻底以及可回收余热等优点。在国外得到广泛应用。在我国虽多数城市垃圾仍然采用填埋法处理。但考虑到土地资源有限，城市人口膨胀的现实。采用焚烧法处理城市垃圾其比例将会逐年增长。但焚烧余留的约30℅的无机渣，若不进行有效处理，势必会对环境产生较大的负面影响。
3.1焚烧热能的利用
焚烧可使可燃成分充分氧化，产生热能用于发电和供热。美国西屋公司和奥康诺公司联合研制垃圾转化系统。该系统的焚烧炉在燃烧垃圾时，可将湿度7％的垃圾变成干燥的固体进行焚烧，焚烧效率达95％以上。同时，焚烧炉表面的高温将热能转化为蒸汽，可用于暖气、空调等设备及蒸汽锅炉发电等方面。
近年来我国对垃圾发电产生再生资源技术日益重视。如宁波枫林垃圾发电厂，总投资4亿多元，用于城市垃圾的焚烧处理。此外，浙江余杭锦江热电厂、浙江乔司垃圾发电厂以及近年来全国各地陆续建立起多个垃圾发电厂。据测定，2吨垃圾燃烧产生的热量约相当于1吨煤燃烧的热能。有专家预测，21世纪垃圾发电将成为与太阳能、风力发电并驾齐驱的新能源。
垃圾焚烧法虽具有众多优点，但受到垃圾成分的限制。当热值低于3.3MJ/Kg时，因难以自然，采用辅助燃烧进行燃烧既消耗能源又不经济，此法就不在适宜。考虑到我国城市垃圾中无机成分居多。如表一所示。采用焚烧法不经济，而填埋法又受土地资源限制，应找出适合我国国情的垃圾处理方法。
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表一中国部分城市垃圾组成/％
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3.2焚烧无机渣的应用
通过对国内外垃圾处理技术系统的研究，水泥厂一次性无害化处理城市垃圾在国外已有二十多年的实践，其经验值得借鉴。这一技术不仅符合我国国情，而且与其他方法相比具有很大优势。符合我国垃圾无害化、减量化和再资源化的原则。因而今后应成为我国城市垃圾处理的首选方法。这种处理方法具有：
3.2.1水泥厂一次无害化处理城市垃圾，在国外已有20多年的经验。值得我们借鉴。目前，在美国、加拿大、瑞典已建有数百家这样的水泥厂。大大缓解了垃圾处理和建厂投资。这种水泥国际上称之为“生态水泥”。并作为21世纪水泥工业的发展方向。如瑞典诺迪克公司加工各种废油用作水泥窖的二次燃料，以替代燃烧煤。瑞士更是计划到2010年将水泥工业利用二次燃料利用比例提高到60％。我国是一个能耗大国，如能充分运用这一技术，将会获得巨大的能源效益。
3.2.2.城市垃圾焚烧后用于水泥生产，对水泥质量不会产生影响。据河南省环境保护所与郑州金龙水泥股份公司对水泥厂一次性无害化处理城市垃圾研究发现，在高温处理过程中，水泥窖中碱性物可与垃圾中酸性物化合生成稳定盐类，便于废气的净化处理。同时，城市垃圾中的建筑垃圾可变为直接利用资源。令治污界头痛的重金属和废渣经加热分解后，与水泥生料一起充分搅拌、煅烧，最终固定在水泥熟料的晶体中，不能再扩散出来，不会对环境造成危害。据统计仅北京市每年产生的危险废弃物约24万吨，其中70％适于水泥回转窖中焚烧。
3.2.3垃圾焚烧能达到无害化处理的效果。城市垃圾焚烧处理温度应在1200度以上，时间大于2秒，且充分搅拌。目前的焚烧炉很难满足这些要求。而水泥厂回转窖则完全符合这些条件。目前，国内水泥厂回转窖内气温可达1300～1800℃之间，有的甚至达到2000℃。在如此高温下，垃圾中有机物、无机物将全部被分解，加之窖内负压作用，焚烧产生的有害气体不会冒出窖外。通过加设高效尾气净化处理设备，就不会对环境造成危害。
3.2.4.垃圾焚烧产生的无机渣用于水泥生产，能降低水泥生产成本。随着经济发展，城市垃圾成分在不断变化。如：日本60年代垃圾热值约为800～1000KJ/Kg。这样水泥厂一次性无害化处理城市垃圾中，可部分代替煤，焚烧后的垃圾残渣化学成分与黏土接近，可最终成为水泥熟料。据盐城工学院材料系李玉华等人研究表明：水泥中掺入不大于
30％的垃圾焚烧无机渣，对水泥强度、标准水泥稠度用水量、凝结时间和安定性不会产生影响。因而，垃圾焚烧后用于水泥混合材料，既降低了成本，又保护了环境，是无害化、资源化处理垃圾的有效方法之一。
3.2.5.水泥厂处理城市垃圾成本低于填埋和焚烧。专家对此进行经济效益测算：以每天生产2500吨垃圾，并以10％年增长率计算。城市垃圾处理设施投资约6亿元。每年维护运行费用超过1000万元。若全部采用水泥厂一次性无害化处理，需固定资产投资1.6亿元。远低于建设垃圾堆场、焚烧处理厂和垃圾电厂的费用。运行后每年可节约专门城市垃圾处理费约600万元，节约燃煤80万元，节约黏土运输费用200万元，每年综合经济效益超出800万元。
4、热解法
近几年来国际上较为流行垃圾热解气化处理方法。以瑞士ThermoselectS.A.技术为代表，成为第三代垃圾处理方法。热解法是有机物在无氧或缺氧条件下的高温加热分解技术，利用热能使高分子物化合断裂，由大分子量有机物转化为小分子可燃气体（氢气、CH4、CO等）、液体燃料（甲醇、丙酮、焦油等）和焦炭的过程。与焚烧法相比，无明火燃烧，重金属大都保持原状在残渣之中。热解产生的燃气、燃油便于储存运输。克服了焚烧方法仅能回收能量，易产生二次污染问题。但该法仅适于有机废弃物处理。目前，国外运用较多。如日本三菱公司热解废塑料处理系统，美国的回转窖热分解处理装置等。
综上所述，在目前我国多数城市垃圾不太适宜焚烧用于发电，而填埋又受土地资源限制的情况下，采用经济高效的水泥厂处理城市垃圾是值得推广应用的有效方法。这种方法真正实现了垃圾的“减量、再用、循环”的无害化处理。但鉴于这一无害化处理城市垃圾的方法在我国刚刚起步，加之政府部门认识不足，而生产企业害怕风险，导致这一新技术在我国应用受到限制。要解决这一问题，推广这项新技术，需要各级政府职能部门高度重视城市垃圾处理问题，树立用现代化垃圾处理方式解决城市现代化进程中产生的垃圾的观念。
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